Diverse microbiome functions, limited temporal variation and substantial genomic conservation within sedimentary and granite rock deep underground research laboratories

天野 由記; Sachdeva, R.*; Gittins, D.*; Anantharaman, K.*; Lei, S.*; Valentin-Alvarado, L. E.*; Diamond, S.*; 別部 光里*; 岩月 輝希; 望月 陽人; et al.

Environmental Microbiome (Internet), 19, p.105_1 - 105_17, 2024/12

https://doi.org/10.1186/s40793-024-00649-3

Underground research laboratories (URLs) provide a window on the deep biosphere and enable investigation of potential microbial impacts on nuclear waste, CO and H stored in the subsurface. We carried out the first multi-year study of groundwater microbiomes sampled from defined intervals between 140 and 400 m below the surface of the Horonobe and Mizunami URLs, Japan. The Horonobe and Mizunami microbiomes are dissimilar, likely because the Mizunami URL is hosted in granitic rock and the Horonobe URL in sedimentary rock. Despite this, hydrogen metabolism, rubisco-based CO fixation, reduction of nitrogen compounds and sulfate reduction are well represented functions in microbiomes from both URLs, although methane metabolism is more prevalent at the organic- and CO-rich Horonobe URL. We detected near-identical genotypes for approximately one third of all genomically defined organisms at multiple depths within the Horonobe URL. This cannot be explained by inactivity, as in situ growth was detected for some bacteria, albeit at slow rates. Given the current low hydraulic conductivity and groundwater compositional heterogeneity, ongoing inter-site strain dispersal seems unlikely. Alternatively, the Horonobe URL microbiome homogeneity may be explained by higher groundwater mobility during the last glacial period. Genotypically-defined species closely related to those detected in the URLs were identified in three other subsurface environments in the USA. Thus, dispersal rates between widely separated underground sites may be fast enough relative to mutation rates to have precluded substantial divergence in species composition. Species overlaps between subsurface locations on different continents constrain expectations regarding the scale of global subsurface biodiversity. Overall, microbiome and geochemical stability over the study period has important implications for underground storage applications.

Magnon-magnon coupling in synthetic ferrimagnets

Sud, A.*; 山本 慧; 鈴木 和也; 水上 成美*; 紅林 秀和*

Physical Review B, 108(10), p.104407_1 - 104407_12, 2023/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.104407

Magnetic multilayers with interlayer exchange coupling have been widely studied for both static and dynamic regimes. Their dynamical responses depend on the exchange coupling strength and magnetic properties of individual layers. Magnetic resonance spectra in such systems are conveniently discussed in terms of coupling of acoustic and optical modes. At a certain value of applied magnetic field, the two modes come close to being degenerate and the spectral gap indicates the strength of mode hybridization. In this work, we theoretically and experimentally study the mode hybridization of interlayer-exchange-coupled moments with dissimilar magnetization and thickness of two ferromagnetic layers. In agreement with symmetry analysis for eigenmodes, our low-symmetry multilayers exhibit sizable spectral gaps for all experimental conditions. The spectra agree well with the predictions from the Landau-Lifshitz-Gilbert equation at the macrospin limit whose parameters are independently fixed by static measurements.

Tunnel magnetoresistance exceeding 100% in magnetic tunnel junctions using Mn-based tetragonal alloy electrodes with perpendicular magnetic anisotropy

鈴木 和也; 水上 成美*

AIP Advances (Internet), 13(3), p.035225_1 - 035225_6, 2023/03

https://doi.org/10.1063/5.0141706

垂直磁化したMnGa電極とFeCoB電極からなるMgOバリア磁気トンネル接合(MTJ)を研究した。この垂直(-)MTJでは、トンネル磁気抵抗(TMR)を高めるために、MnGaとMgOの間の中間膜に薄い準安定bcc CoMn合金を利用した。さらに、MnGaとCoMnの間に薄いMgを介在させた場合の効果についても検討した。その結果、正方晶MnGa電極を用いた-MTJで観測された最高値である100%以上のTMR比を達成した。本研究は、様々なMn系正方晶合金電極を用いた-MTJを用いたスピントロニクスデバイスのさらなる発展に貢献するものである。

Tracing magnetic atom diffusion with annealing at the interface between CoMn alloy and MnGa layer by X-ray magnetic circular dichroism

岡林 潤*; 鈴木 和也; 水上 成美*

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 564, Part2, p.170163_1 - 170163_5, 2022/12

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.170163

アニールによるCoMn合金とMnGa層の界面での磁気原子の拡散をX線磁気円二色性(XMCD)解析を用いて調べた。その結果、成長直後の状態ではbcc CoMnのスピンは垂直磁化MnGa層のスピンと平行に結合しているが、熱処理により界面磁気結合がCoの反強磁性に変化することがわかった。各吸収端における元素別のヒステリシス曲線から、MnGaとの交換結合を介してMnとCoに大きな保磁力場があることが判明した。熱処理後のXMCDスペクトル線形状の変化からMnとCoMnGa層の形成を促進する界面反応に関連していることが透過型電子顕微鏡の分析から推測された。Mn原子の界面拡散は、MnとCoサイトの磁気交換結合を変調させ、垂直磁化の方向を反転させることがわかった。

The -electron state of the heavy fermion superconductor NpPdAl and the isostructural family

目時 直人; Aczel, A. A.*; 青木 大*; Chi, S.*; Fernandez-Baca, J. A.*; Griveau, J.-C.*; 萩原 雅人*; Hong, T.*; 芳賀 芳範; 池内 和彦*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 30, p.011123_1 - 011123_6, 2020/03

https://doi.org/10.7566/JPSCP.30.011123

希土類(4)やアクチノイド(5)は、電子数の増加とともに複雑さを増し、様々な相互作用が競合して多様な状態が出現する。多体電子系の結晶場分裂はバンド幅より狭いため、(1)高分解能の実験が必要で、(2)遍歴的なCeやU化合物は本質的に明瞭なスペクトルを示さない。また、(3)国際規制物質NpやPuなど超アクチノイド元素の取り扱いは厳しく規制されている。そこで比較的局在性の強い物質や希土類関連物質の、中性子散乱実験による磁気励起の研究が有益である。本稿では重い電子系化合物NpPdAlと関連物質の電子状態について述べる。

Magnetic structure and quadrupolar order parameter driven by geometrical frustration effect in NdB

山内 宏樹; 目時 直人; 綿貫 竜太*; 鈴木 和也*; 深澤 裕; Chi, S.*; Fernandez-Baca, J. A.*

Journal of the Physical Society of Japan, 86(4), p.044705_1 - 044705_9, 2017/04

https://doi.org/10.7566/JPSJ.86.044705

K、K、and Kで相転移を示すNdBの中間秩序相の磁気構造、および、秩序変数を決定するために、中性子回折実験を行った。II相()で観測された回折パターンは、正方晶面内の静的磁気モーメントによる秩序構造を仮定することでよく説明できた。また、II相の磁気構造が二つのノンコリニアな反強磁性構造("all-in/all-out"型と"vortex"型)の線形結合で一意的に説明できることを見出した。この特異な磁気構造が実現する主要素として、我々は、「(1)磁気相互作用の優位性を抑制する幾何学的フラストレーションの効果、(2)ノンコリニアな磁気構造と四極子秩序を安定化させる四極子相互作用の重要性」の二つを提唱した。

Potential for microbial H and metal transformations associated with novel bacteria and archaea in deep terrestrial subsurface sediments

Hernsdorf, A. W.*; 天野 由記; 宮川 和也; 伊勢 孝太郎; 鈴木 庸平*; Anantharaman, K.*; Probst, A. J.*; Burstein, D.*; Thomas, B. C.*; Banfield, J. F.*

ISME Journal, 11, p.1915 - 1929, 2017/03

AA2016-0002.pdf:2.21MB

https://doi.org/10.1038/ismej.2017.39

地層処分システムにおける微生物影響の可能性を評価するために、北海道の幌延深地層研究センター地下施設を利用して、堆積岩地下の生態系における微生物群集構造と代謝機能について調査を行った。全体として、微生物生態系は多様な系統群からなる微生物種で構成されており、その多くはこれまで培養されていない生物門に属していることが示された。大部分の微生物種は、酸化型[NiFe]ヒドロゲナーゼあるいはフェレドキシンをベースとする代謝経路を可能にする電子分岐型[FeFe]ヒドロゲナーゼを介して水素代謝をおこなうことが明らかになった。水素代謝と関連して、多くの微生物が炭素,窒素,鉄および硫黄を代謝することが推定された。特に、ANME-2dというメタン酸化を行う古細菌として知られている未培養微生物が、鉄関連の代謝反応を行う可能性が示唆された。得られた結果から、幌延堆積岩環境における微生物群集の生態学的概念モデルを推定した。

Spin-chirality-driven ferroelectricity on a perfect triangular lattice antiferromagnet

三田村 裕幸*; 綿貫 竜太*; 金子 耕士; 小野崎 紀道*; 天羽 祐太*; 橘高 俊一郎*; 小林 理気*; 志村 恭通*; 山本 勲*; 鈴木 和也*; et al.

Physical Review Letters, 113(14), p.147202_1 - 147202_5, 2014/10

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.147202

Magnetic field () variation of the electrical polarization (c) of the perfect triangular lattice antiferromagnet RbFe (MoO) is examined up to the saturation point of the magnetization for B. is observed only in phases for which chirality is predicted in the in-plane magnetic structures. No strong anomaly is observed in at the field at which the spin modulation along the c axis exhibits a discontinuity to the commensurate state. These results indicate that ferroelectricity in this compound originates predominantly from triangular-spin chirality. The obtained field-temperature phase diagrams of ferroelectricity well agree with those theoretically predicted for the spin chirality of a Heisenberg spin triangular lattice antiferromagnet.

A Scenario of core disruptive accident for Japan sodium-cooled fast reactor to achieve in-vessel retention

鈴木 徹; 神山 健司; 山野 秀将; 久保 重信; 飛田 吉春; 中井 良大; 小山 和也*

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(4), p.493 - 513, 2014/04

https://doi.org/10.1080/00223131.2013.877405

ナトリウム冷却高速炉の最も有望な概念として、原子力機構は先進的ループ型高速炉(JSFR)を選定した。JSFRの設計基準外事象に対する安全設計要求は、過酷事故の防止、及び事故影響の緩和である。特に、事故影響の緩和に関しては、仮想的な炉心損傷事故(CDA)を炉容器内に格納すること(IVR)が求められている。これらの安全設計要求の充足性を検討するためにCDAシナリオを構築し、その中で出力逸走の排除と損傷炉心物質の炉容器内冷却の成立性を評価してIVRが達成されることを示さなければならない。本研究では、IVR失敗に至る要因を現象論的なダイアグラムを用いて摘出し、それらに対する各種設計方策の有効性を試験データと計算シミュレーションに基づいて評価した。これは、CDAシナリオを構築する上で前例のないアプローチであり、IVRの失敗要因と設計方策の有効性を客観的に評価する上で非常に有効な手法である。本研究から、原子炉容器の機械的/熱的な破損は適切な設計方策によって回避され、IVR達成に向けた明確な見通しを得ることができた。

Numerical simulation of melt-down behavior in SFR severe accidents by the MUTRAN code

久保田 龍三郎*; 山田 由美*; 小山 和也*; 島川 佳郎*; 山野 秀将; 久保 重信; 鈴木 徹; 飛田 吉春

Proceedings of 8th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-8) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2012/12

本論文はJSFRにおける除熱源喪失事象(PLOHS)の数値シミュレーションで解明したメルトダウン事象進展を説明する。損傷炉心での複雑な炉心物質運動及びそれに関連した熱伝達挙動を模擬するため、多成分,多速度場のコンピュータコードであるMUTRANを適用した。MUTRANの解析は健全形状から損傷挙動を取り扱った。また、2種の初期状態として、炉心に冷却材のない漏えい型及び冷却材が燃料炉心上部までを覆う沸騰型を取り扱った。解析は代表的な事象進展を明らかにした。